Definition

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Mitarbeiter: Robert McFarlane, Toon Diegenant and Patrick Tierce

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist eine Vorrichtung, durch die ein Computer bei Ausfall der primären Stromquelle zumindest für kurze Zeit weiterläuft. USV-Geräte bieten auch Schutz vor Überspannung.

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Eine USV enthält eine Batterie, die anspringt, wenn das Gerät einen Ausfall der primären Stromquelle feststellt. Verwendet gerade jemand das Endgerät, wenn die USV den Stromausfall meldet, hat der Benutzer Zeit, alle Daten, an denen er arbeitet, zu speichern und zu beenden, bevor die sekundäre Stromquelle (der Akku) leer ist. Wenn die gesamte Stromversorgung ausgeht, werden alle Daten im Arbeitsspeicher des Computers gelöscht. Wenn es zu Überspannung kommt, fängt eine USV den Stromstoß ab, damit der Computer nicht beschädigt wird.

USV im Rechenzentrum

Jede USV wandelt eingehenden Wechselstrom über einen Gleichrichter in Gleichstrom um und wandelt ihn mit einem Wechselrichter wieder zurück. Akkus oder Schwungräder speichern Energie, die bei einem Versorgungsausfall verwendet wird. Ein Glättungskondensator leitet dann den Strom von einem Akku oder Generator um den Gleichrichter und den Wechselrichter herum.

USV-Systeme werden zwar allgemein als Doppelwandler-, Line-Interactive- und Standby-Systeme bezeichnet, aber diese Begriffe wurden bisher nicht eindeutig verwendet und von den Herstellern unterschiedlich umgesetzt. Die International Electrotechnical Comission (IEC) hat in IEC Std. 62040 eine technisch saubere Terminologie festgelegt.

Typen von USVs und ihre Hauptmerkmale

Spannungs- und frequenzunabhängig (Votage and Frequency Independent, VFI): Spannungs- und frequenzunabhängige USV-Systeme werden als Online- oder Doppelwandler bezeichnet, da eingehender Wechselstrom zu Gleichstrom gleichgerichtet wird, um die Akkus aufzuladen und den Wechselrichter anzutreiben. Der Wechselrichter hingegen erzeugt wieder eine konstante Wechselstromleistung zum Betrieb der IT-Ausrüstung.

Schaltung für USV-Design bei laufender Stromversorgung
Abbildung 1: So sieht eine USV-Schaltung aus, wenn der Strom normal zugeführt wird.

Wenn die Stromversorgung ausfällt, treiben die Batterien den Wechselrichter an, der die Stromversorgung für das Rechenzentrum aufrecht erhält. Bei Wiederherstellung der Stromversorgung, entweder durch das Versorgungsunternehmen oder einen Generator, liefert der Gleichrichter Gleichstrom an den Wechselrichter und lädt gleichzeitig die Batterien wieder auf. Der Wechselrichter läuft also im Vollzeitbetrieb. Der Eingang des Versorgungsunternehmens ist vollständig vom Ausgang isoliert, und der Bypass wird nur verwendet, um Sicherheit bei der Wartung zu gewährleisten, oder wenn es einen internen Fehler an der Elektronik gibt. Da es keine Unterbrechung in der Stromversorgung der IT-Ausrüstung gibt, gilt der Vakuum-Schutzschalter allgemein als die robusteste Form der USV. Die meisten Systeme synchronisieren die Ausgangsfrequenz mit der Eingangsfrequenz, aber das ist nicht notwendig, so dass sie immer noch als frequenzunabhängig gilt.

USV bei Stromausfall
Abbildung 2: Eine Spannungs- und frequenzunabhängige USV während eines Stromausfalls

Bei jeder Leistungsumwandlung entsteht ein Verlust, der aber für die hohe Zuverlässigkeit dieser Systeme als Preis hingenommen wurde.

Spannungsunabhängig (Voltage Independent, VI): Spannungsunabhängige (oder True Line Interactive) USVs haben eine kontrollierte Ausgangsspannung, aber die gleiche Ein- und Ausgangsfrequenz. Frequenzunabhängigkeit ist in den entwickelten Ländern selten notwendig für eine sichere Stromversorgung Der Strom wird direkt an die IT-Geräte geliefert, und der Gleichrichter hält die Batterien geladen. Der Wechselrichter ist parallel zum Ausgang geschaltet, kompensiert Spannungseinbrüche und fungiert als aktiver Filter für Spannungsspitzen und Oberschwingungen. Gleichrichter- und Wechselrichterverluste treten nur bei schwankender Eingangsleistung auf. Schwungräder und Motor- oder Generatorsätze gelten ebenfalls als VI.

Spannungsunabhängige USV bei normalen Betrieb
Abbildung 3: Eine spannungsunabhängige USV bei normalem Betrieb

Wenn die Stromzufuhr ausfällt oder die Spannung außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, trennt sich der Bypass schnell vom Eingang und die Batterie treibt den Wechselrichter an. Wenn die Eingangsleistung wiederhergestellt ist, schaltet die Überbrückung den Eingang wieder ein, lädt die Batterien wieder auf und hält die Ausgangsspannung konstant. USV-Hersteller, die parallele Stromquellen verwenden, behaupten, dass sie keinen Verlust an Zuverlässigkeit aufweisen. Das Ergebnis ist eine Energieeffizienz von etwa 98 Prozent.

Stromausfall bei spannungsabhängiger USV
Abbildung 4: Bei Problemen mit der Stromzufuhr springt die spannungsabhängige USV an.

Spannungs- und frequenzabhängig (Voltage and frequency dependent): Spannungs- und frequenzabhängige (VFD), oder Standby-USV ist im Betrieb ähnlich wie die VI und wird manchmal fälschlicherweise als netzinteraktiv bezeichnet. Bei herkömmlichen VFD-Systemen wird der Wechselrichter abgeschaltet, so dass es bis zu 10 bis 12 Millisekunden dauern kann, bis die Stromerzeugung beginnt. Dieser Bruch kann zum Absturz von Servern führen, so dass ältere VFD-USVs schlecht für Datenzentren geeignet sind.

Schaltung Spannungs- und Frequenzabhängige USV
Abbildung 5: Schaltung einer spannungs- und frequenzabhängigen USV bei Normalbetrieb

Neue VFD-Konzepte sehen vor, dass der Wechselrichter innerhalb von zwei Millisekunden nach seiner Aktivierung Strom erzeugt. Die Überbrückung ist normalerweise wie bei der VI aktiviert, so dass die Geräte direkt vom Versorgungsunternehmen oder Generator betrieben werden. Da der Wechselrichter erst bei Stromausfall arbeitet, gibt es keine Spannungsregelung und keinen Stromverbrauch, wodurch Wirkungsgrade von bis zu 99 Prozent möglich sind. Bei einem Stromausfall oder bei einer Spannung außerhalb des zulässigen Bereichs wird der Überbrückungsschalter geöffnet und der Eingang vom Ausgang getrennt; der Wechselrichter beginnt mit dem Betrieb über die Batterien. Der Gleichrichter ist nur groß genug, um die Batterien geladen zu halten.

Schaltung Spannungs- und Frequenzunabhängige USV bei Stromausfall
Abbildung 6: Bei einem Stromausfall versorgt die Spannungs- und frequenzabhängige USV das System mti Strom aus dem Akku.

Vor- und Nachteile der USV

Zu den Vorteilen der Verwendung unterbrechungsfreier Stromversorgungen gehören

  • Keine Verzögerung zwischen dem Umschalten von der primären Stromquelle auf die USV.
  • Kann kritische Instrumente im Vergleich zu Generatoren besser unterstützen.
  • Die Verbraucher können den Typ und die Größe der USV wählen, je nachdem, wie viel Strom sie einem Gerät zuführen müssen.
  • USVs sind geräuschlos.
  • Die Wartung von USV-Systemen ist im Vergleich zu Generatoren kostengünstiger.

Zu den Nachteilen der Verwendung unterbrechungsfreier Stromversorgungen gehören:

  • Da sie mit Batterien laufen, können USVs keine großen Geräte antreiben.
  • Wenn minderwertige Batterien im Einsatz sind, müssen die Benutzer die Batterien möglicherweise häufig austauschen.
  • USVs benötigen möglicherweise professionelle Installationen.

USV versus Generatoren, Überspannungsschutz, Wechselrichter und AVRs

Im Gegensatz zu USVs halten Generatoren Geräte nicht nahtlos in Betrieb, wenn die primäre Stromversorgung ausfällt. Im Vergleich zu USVs liefern Generatoren jedoch über einen längeren Zeitraum Strom. USV-Systeme liefern nicht so lange Strom, da sie von Batterien gespeist werden.

Überspannungsschutzgeräte (Suppressoren) helfen, Schäden durch Überspannungen und hohe Spannungsspitzen zu verhindern. Überspannungsschutzgeräte funktionieren jedoch nicht bei Stromausfällen oder in Fällen, in denen die Hauptstromversorgung unterbrochen ist.

Wechselrichter sind Geräte, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Leistungswechselrichter werden in der Regel an eine externe Gleichstromquelle angeschlossen und wandeln den Strom kontinuierlich in Wechselstrom um. Wechselrichter verwenden in der Regel eine oder mehrere Batterien zum Speichern von Strom. Beim Verwenden von Wechselrichtern gibt es eine Verzögerung bei der Übertragung von Strom von einer primären Stromquelle zu einer sekundären Stromquelle, wenn die Hauptstromversorgung unterbrochen wird.

Automatische Spannungsregler (Automatic Voltage Regulators, AVRs) steuern die Eingangsspannungen, um Spannungsschwankungen zu minimieren. AVRs werden üblicherweise sowohl in Leistungswandlern als auch in Wechselrichtern verwendet.

Diese Definition wurde zuletzt im Juni 2020 aktualisiert

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